Metodología de obtención de muestras de hormigón en polvo para análisis de cloruro y correlación entre el contenido de cloruros en ambiente marino y real por cinco años y ambiente acelerado de muestras de hormigón = Methodology to obtain powder concrete s

(1)Methodology to Obtain Powder Concrete Samples for the Analysis of Chloride and Correlation Between the Content of Chloride in the Real Sea Environment for Five Years and the Accelerated Environment for Concrete Samples. Metodología de Obtención de Muestras de Hormigón en Polvo para Análisis de Cloruro y Correlación entre el Contenido de Cloruros en Ambiente Marino Real por Cinco Años y Ambiente Acelerado de Muestras de Hormigón. Autores CARVAJAL, A. M. MATURANA, P. - BENAVIDES F.. Académicos Pontificia Universidad Católica de Chile email: acarvajg@uc.cl. CORTÉS, J. E.. 74 ]. Constructor Civil Pontificia Universidad Católica de Chile. Fecha de recepción. 26/04/2010. Fecha de aceptación. 22/06/2010. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010.

(2) Resumen. La contaminación de obras de hormigón armado por agentes químicos agresivos ha sido y sigue siendo un problema grave y de gran relevancia en lo que respecta a la durabilidad y funcionalidad de estas, lo que genera gran preocupación debido a la poca información existente sobre su efecto real y la forma en que se puede afrontar con el fin de otorgar seguridad a obras afectadas por los grandes enemigos del hormigón armado, como lo son los iones cloruro. Se consultaron normas extranjeras para obtener una metodología de obtención de muestra de hormigón para el posterior análisis del contenido de iones cloruro, ya que las normas chilenas no lo indican. Las normas ASTM C 42/C 42M – 04 “Standard Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete” ASTM C 1218/C 1218M – 99 “Standard Test Method for Water-Soluble Chloride in Mortar and Concrete” y ASTM C 1152/C 1152M – 04 “Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar. and Concrete” fueron de utilidad para la obtención de una muestra representativa de hormigón para ser empleada en los análisis cuantitativos de iones cloruro Debido a la importancia de encontrar una metodología para el análisis cuantitativo de este tipo de iones, se analizaron distintas normas que tienen relación con el análisis de iones cloruro, tanto nacionales como extranjeras, y se ha podido comprobar que las fórmulas de cálculo no son consecuentes pues no dan los mismos resultados (ASTM C-114 con NCh 1444 Of 80 y NCh1498 Of 82). Se ha analizado el contenido de cloruros de probetas de hormigón armado que fueron expuestas durante cinco años al agua de mar, en condición de semiinmersión, en San Antonio, Puertecito, V Región de Valparaíso, como también de probetas gemelas sometidas a ciclos de semiinmersión secado en laboratorio en cámara acelerada, con el fin de comparar ambas situaciones, encontrándose una relación entre estos.. Palabras clave: Determinación de cloruros, ambiente acelerado, ambiente real.. Abstract. Contamination of reinforced concrete in Mortar and Concrete”, were useful structures by aggressive chemical for obtaining a representative concrete agents has been and remains a serious, sample to be used in the chloride ions very relevant problem with regard to quantitative analyses. the durability and functionality of Due to the importance of finding a said structures. This gives rise to great methodology for the quantitative concern due to little information on its analysis of this type of ions, different real effect and the form in which it can standards were analyzed that are related be dealt with in order to provide security to the ion chloride analysis, both national to the structures affected by the great and foreign, and it was proven that the enemies of the reinforced concrete, i. e. calculation formulas are not consistent, the chloride ions. because they do not provide the same Foreign standards were consulted to results (ASTM C-114 with NCh 1444 Of obtain a methodology for concrete 80 and NCh1498 Of 82). samples to be obtained and for the The chloride content of reinforced later analysis of the chloride ion content, concrete specimens exposed for five since Chilean standards do not mention years to sea water in San Antonio, this. Standard ASTM C 42/C 42M - 04 Puertecito, V Region of Valparaiso, under “Standard Test for Method Obtaining and semi-immersion conditions was analysed, Testing Drilled Cores and Sawed Beams of as well as, chloride content from twin Concrete”, ASTM C 1218/C 1218M - 99 specimens subject to cycles of semi“Standard Test for Method Water-Soluble immersion and dried in laboratory in an Chloride in Mortar and Concrete” and accelerated system, so that to compare ASTM C 1152/C 1152M - 04 “Standard both situations, and a relation between Test Method for Acid-Soluble Chloride both cases was found. Key words: Determination of chlorides, accelerated environment, real environment.. páginas: 74 - 80. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. [ 75.

(3) Introducción En Chile no existe un sistema riguroso y exacto para medir cuantitativamente la penetración de iones cloruro al hormigón armado, por lo que las entidades que realizan los análisis producen distintos resultados, posiblemente por la forma en que se desarrolla el proceso de obtención de la muestra a analizar. Además, las normas existentes no tienen un sistema único de análisis ni de extracción de muestras de hormigón que permitan entregar la conformidad requerida para este tipo de estudios, los cuales requieren la mayor exactitud posible. Es por esto que es fundamental encontrar una nueva metodología con el fin de determinar cuantitativamente la existencia, lo más cercana a la realidad, de iones cloruro y sulfato en hormigón endurecido. El objetivo principal de este estudio es analizar cuantitativamente la penetración de iones cloruro a probetas que estuvieron expuestas a ambiente acelerado y otras similares a ambiente real, para encontrar la relación que existe entre ambos. Las probetas de estudio tienen distinto tipo de recubrimiento superficial, factor que ayuda a obtener información adicional sobre la protección relativa que brindan distintos tipos de recubrimiento a las estructuras de hormigón armado expuestas a ambiente marino, pudiendo también comparar los resultados de análisis para ambos ambientes, tanto real como de laboratorio.. Metodología 1. Procedimiento de obtención de polvo El procedimiento para lograr convertir en polvo las muestras de hormigón de las probetas, consta de 3 etapas: 1. Corte de probetas en seco mediante herramienta a presión 2. Corte de muestras mediante el uso del esmeril angular 3. Transformar muestras en polvo que pasa por malla Nº 20 1.. Corte de probetas en seco mediante herramienta a presión. El uso de esta herramienta otorga un corte limpio y especialmente en seco, lo cual impide el lavado de contaminantes como los son otros procedimientos de corte. El procedimiento es válido para cualquier forma geométrica de testigo extraído. La Figura 1 muestra el equipo cortador de testigos, que fue diseñado y patentado para el Proyecto DURACON. Figura 1 Proceso de corte en seco con prensa. Se pretende encontrar una metodología de mayor exactitud que el método de extracción de polvo con taladro, que es un método que presenta dificultades debido a que los áridos en el hormigón pueden producir inexactitud en los resultados, ya que el interior de estos no contiene iones cloruro, y la mezcla en polvo extraído con taladro podría contener solo polvo de un árido, dependiendo de la zona de extracción. Se pretende identificar el contenido de cloruros por capas de 1,5 cm, para obtener perfil de penetración de iones cloruro, lo cual se puede analizar con respecto a las tolerancias existentes según normas internacionales y llegar a determinar la velocidad de penetración del ión cloruro por medio de la segunda ley de Fick.. Figura 2 Probeta 1. Resultado del corte. El segundo objetivo del estudio fue determinar los potenciales de corrosión de las probetas que estuvieron en el mar por cinco años y comparar los valores con los obtenidos en laboratorio después del proceso de ciclos de inmersión-secado en tiempo acelerado.. 76 ]. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. páginas: 74 - 80.

(4) 2.. Corte de muestras mediante el uso del esmeril angular. Se utiliza esmeril angular para obtener las distintas capas de hormigón desde la superficie hacia el interior, con el fin de analizar cuantitativamente los iones cloruro en cada una de ellas y obtener un perfil de penetración de estos iones. Como se pretende extraer 3 capas de 1,5 cm cada una, se extrae en total 4,5 cm desde la cara superficial. 3.. Transformar muestras a polvo que pase tamiz Nº 20. Para este procedimiento ha sido necesario informarse a través de normas extranjeras, con las indicaciones que se entregan para realizar correctamente un análisis cuantitativo de cloruros. Es así como la norma “C1218/C 1218M-99 de la ASTM, Standard Test Methods For Water-Soluble Chloride in Mortar and Concrete” indica claramente el procedimiento, los pasos a seguir en el proceso químico y, lo que más concierne en este trabajo, las características que debe tener la muestra de hormigón. Esta norma indica que el hormigón debe ser llevado a un tamaño de partícula de no más de 850 µm (micrones), o sea, que pase por tamiz Nº 20, sin especificar la forma en que se puede lograr. Así, para llevar a cabo el procedimiento de triturar el hormigón se necesita una pulverizadora de hormigón, que no existe en el mercado chileno. Debido a esto, se buscó alternativas que pudiera dar el resultado deseado en forma rápida y económica. Se utilizó un cilindro de hierro de fundición empleado para determinar tenacidad del grano, un combo y un tamiz Nº 20 (850 µ). El cilindro de hierro es ideal para este proceso, ya que es limpio, resistente, impermeable, otorga aislación para que no se pierda ni esparza el hormigón una vez golpeado y también es pequeño y manipulable, a pesar de que tiene gran peso.. Se deben limpiar lo elementos a utilizar previo a cada uso, no solo para cada probeta, sino para cada capa y colocar muestras de hormigón que no exceda los 200 gramos. El procedimiento que corresponde al análisis químico se ha llevado a cabo en Laboratorio según la norma “ASTM C1218/C 1218M-99: Standard Test Method For WaterSoluble Chloride in Mortar and Concrete”. La determinación del porcentaje de cloruro y la cantidad de cloruro por metro cúbico de muestra se ha determinado mediante la norma ASTM C 114 – 06 “Standard Test Method for Chemical Analysis of Hydraulic Cement”, a través de la siguiente fórmula:. Donde: V1 mililitros de 0,05 M de solución de AgNO3, usada para titulación de muestra (punto de equivalencia) V2 mililitros de 0,05 M de solución de AgNO3, usada para titulación de muestra (punto de equivalencia) N normalidad exacta de 0,5 M de solución AgNO3 0,10 miliequivalencia de NaCl adherida (2,0 mL x 0,05 M) W masa de la muestra, g El valor resultante corresponde a la cantidad de cloruro en gramos, en 100 gramos. Para determinar cuánto hay en un kilo se multiplica por 10, obteniendo la cantidad de gramos de cloruro en un kilo de muestra. Lo anterior equivale a tener (kg x 10 -3) en un kilo de muestra. De esta forma, conociendo la densidad del hormigón, se multiplica el resultado anterior, obteniendo, finalmente, kg Cl - /m 3 de hormigón (última columna de tablas). El procedimiento anterior se puede simplificar al multiplicar el porcentaje de cloruro obtenido según la fórmula anterior por la densidad del hormigón (kg/m3) y dividiendo por 100. Así:. Figura 3 Cortes de primera, segunda y tercera etapa. páginas: 74 - 80. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. [ 77.

(5) Donde: %Cl porcentaje de cloruros en muestra según norma ASTM C 114 – 06 “Standard Test Method for Chemical Analysis of Hydraulic Cement” D densidad de hormigón, en kg/m3. Figuras 6 y 7 Probetas sin recubrimiento expuestas a ambiente real y acelerado. Resultados A continuación se entregan los resultados de los análisis cuantitativos de iones cloruro para las distintas muestras de hormigón en polvo, obtenidas según la metodología entregada en esta investigación. Tabla 1 Revestimiento de pintura de poliuretano Exposición. Capa. Promedio Kg/m3 Cl-. ambiente marino (3 y 4). primera capa (0 - 1,5 cm). 5,20. segunda capa (1,5 - 3 cm). 2,64. cámara acelerada (110 y 150). tercera capa (3 - 4,5 cm). 0,80. primera capa (0 - 1,5 cm). 1,44. segunda capa (1,5 - 3 cm). 1,10. tercera capa (3 - 4,5 cm). 1,04. Figuras 4 y 5 Probetas con recubrimiento de PU expuestas a ambiente real y acelerado. 78 ]. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. Figuras 8 y 9 Probetas con revestimiento acrílico expuestas a ambiente real y acelerado. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. páginas: 74 - 80.

(6) Figura 10 Probeta con revestimiento cementicio expuesta a ambiente real y acelerado. Finalmente, se hace un análisis de comparación general entre probetas expuestas a ambiente marino versus probetas expuestas a cámara acelerada. Esto, con el fin de observar, a grandes rasgos, la relación existente entre los dos tipos de exposición de las probetas.. Figura 11 Promedio del contenido de cloruro de todas las probetas a distintas profundidades. Figuras 12 y 13 Promedio de penetración de cloruros para todas las probetas. Para esto se calcula el promedio de cada capa, de distintos revestimientos, de cada promedio calculado anteriormente, correspondiente a cada revestimiento.. Tabla 2 Probetas expuestas a ambiente marino Capa. Promedio contenido de cloruro (kg/m3). primera capa (0 - 1,5cm). 11,10. segunda capa (1,5 - 3cm). 5,14. tercera capa (3 - 4,5cm). 2,25. En este análisis se ha excluido las probetas de revestimiento cementicio, ya que no se han podido rescatar del ambiente marino para compararlas con las de ambiente acelerado.. Tabla 3 Probetas expuestas a cámara acelerada Capa. Promedio contenido de cloruro (kg/m3). primera capa (0 - 1,5cm). 15,31. segunda capa (1,5 - 3cm). 10,43. tercera capa (3 - 4,5cm). 4,92. páginas: 74 - 80. De las Figuras 12 y 13 se puede apreciar que la penetración de cloruros es mayor en el caso de exposición a cámara acelerada, en un orden cercano al doble con respecto a la exposición en ambiente marino real. Los resultados en probetas revestidas con pintura de poliuretano demuestran que en ambiente acelerado no hubo penetración de cloruros, pero sí existe en ambiente real después de 5 años, pricipalmente debido a que las probetas en ambiente marino real se encontraban con daño en la pintura por erosión en algunos sectores y en otros por los moluscos adheridos.. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. [ 79.

(7) Conclusiones La nueva metodología planteada para obtener la muestra en polvo propone que los resultados de los análisis cuantitativos de cloruros en estructuras de hormigón armado son más confiables y precisos ya que la otra metodología es desechar el árido de mayor tamaño y entregar el resultado en kg de cloruro por kilo de cemento, lo que es menos representativo de la realidad. Respecto a los resultados del contenido de iones cloruro fue posible notar que el recubrimiento con pintura de poliuretano presenta los mejores resultados, a través de una muy baja penetración de iones cloruro con respecto a las otras alternativas, teniendo en cuenta que el hormigón es el mismo para todas las probetas, tanto las que fueron sometidas a ambiente marino por 5 años como las que estuvieron en cámara acelerada en ciclos de semiinmersión-secado, simulando ambiente marino. El hecho de que las probetas sin revestimiento presenten menor penetración de cloruro y, por ende, mejor comportamiento que las probetas con revestimiento de pintura acrílica, puede tener relación con el efecto “piel” que se ve aumentado por la presencia de pintura que acumula iones cloruro que difunden hacia el interior del hormigón.. Bibliografía 1.. ASTM C 1218/C 1218M – 99 “Standard Test Method for Water-Soluble Chloride in Mortar and Concrete”. 2.. ASTM C 114 – 06 “Standard Test Methods for Chemical Analylis of Hydraulic Cement”. 3.. ASTM C 876 – 91 (Reapproved 1999) “Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete”. 4.. Güneyisi E et al., Estimation of chloride permeability of concretes by empirical…, Constr Build Mater (2007), doi:10.1016/j.conbuildmat.2007.10.022. (Article in press).. 80 ]. Revista de la Construcción Volumen 9 No 1 - 2010. Lo anterior coincide con el comportamiento de las probetas con revestimiento cementicio, que presentan los resultados más negativos en cuanto a la cantidad de iones cloruros a las distintas profundidades. Se ha comprobado que este revestimiento absorbe los iones cloruro, creando una reserva de ellos en todo el espesor del mortero cementicio por lo que estos pueden difundir hacia el interior con una mayor concentración inicial desde la superficie, alcanzando el nivel crítico de concentración de cloruros a nivel de la armadura, en menos tiempo que el resto de las probetas sometidas a ambiente acelerado. Las probetas expuestas a ambiente marino real han tenido, en la totalidad de los casos, menor penetración de iones cloruro con respecto a las probetas en cámara acelerada, siguiendo una tendencia lineal y constante para todas las muestras analizadas. A través de los resultados obtenidos se pueden preliminarmente encontrar relaciones que determinen la vida útil de una estructura de hormigón armado, extrapolando los días de laboratorio con los cinco años de la estructura expuesta a ambiente real, que aunque aún faltan muchos análisis por realizar, puede ser en el futuro de gran utilidad al momento de diseñar una obra portuaria o expuesta a ambiente marino.. 5.. ASTM C 42/C 42M – 04 “Standard Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete”. 6.. ASTM C 1152/C 1152M – 04 “Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete”. 7.. Thomas M. Chloride thresholds in marine concrete. Cement Concrete Res 1996;26(4):513-9. 8.. NCh 1498 Of 82. Hormigón- Agua de AmasadoRequisitos. 9.. NCh 1444 Of 80. Áridos para morteros y hormigones – Determinación de sales – Parte 1 : Determinación de cloruros y sulfatos. ] Carvajal, A. M. - Cortés, J. E. - Maturana, P. - Benavides, F. [. páginas: 74 - 80.

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